JP4235142B2 - フィラメントワインディング装置 - Google Patents

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Description

本発明は、繊維強化プラスチック製品をフィラメントワインディング法により成形するためのフィラメントワインディング装置に関する。
ガラス繊維等の繊維材料を補強材として、合成樹脂材をマトリックスに用いた複合材料である所謂繊維強化プラスチック(以下、「FRP」と称する)は、重量当たりの機械的強度が高いことから、車両や建築物の各種構造材として利用されている。
このようなFRPの成形方法の一つにフィラメントワインディング法がある。フィラメントワインディング法は、樹脂含浸フィラメントをマンドレルに巻き付けて成形する方法で、このフィラメントワインディング法を実現するための装置としてフィラメントワインディング装置が用いられている。
フィラメントワインディング装置は、長繊維や長繊維を束ねることで糸状に形成したロービング、更には、長繊維により形成された長尺のテープ等の総称であるフィラメントを、例えば、巻取状態で収納したクリールを備えている。クリールから引き出されたフィラメントは、その先端側がマンドレルと称される芯材に巻き掛けられている。
また、クリールからマンドレルまでの間には、予熱ヒータや樹脂含浸槽が設けられており、クリールから引き出されたフィラメントがマンドレルに向かうまでの間に予熱ヒータや樹脂含浸槽を通過する。
フィラメントは予熱ヒータを通過することで脱湿が施され、更に、脱湿されたフィラメントは樹脂含浸槽を通過することで、フィラメントに熱硬化性の合成樹脂材の塗布されて含浸される。このようにして合成樹脂材が含浸されたフィラメントは、リング状の給糸口を通過してマンドレルに掛け回される。
この状態で、マンドレルを一定の軸心周りに回転させると、マンドレルの周囲に所定のパターンでフィラメントが先端側から順次巻き付けられると共に、マンドレルの回転でフィラメントがマンドレルに巻き付けられることでフィラメントに張力が発生し、この張力でクリールから後続のフィラメントが引き出され、マンドレルに巻き付けられる。さらに、フィラメントの巻き付けが終了したマンドレルを硬化炉に導くことで合成樹脂材が硬化される構成となっている。
ところで、通常、フィラメントワインディング装置はトラバーサ機構を備えている。トラバーサ機構は、上記のマンドレルの回転軸方向に沿って長手とされたガイドレールを備えている。ガイドレールには上記の給糸口がガイドレールの長手方向に沿ってスライド可能に取り付けられている。また、ガイドレールには、ボールねじ等が設けられており、モータ等の駆動手段の駆動力で給糸口をガイドレールの長手方向、すなわち、マンドレルの回転軸方向にスライドさせることができるようになっている。
マンドレルが回転して、マンドレルの周囲にフィラメントを巻き付けている状態では、所定のタイミングと速度で給糸口がガイドレールに案内されてマンドレルの回転軸方向に移動する。これにより、マンドレルでのフィラメントの巻付位置がマンドレルの回転軸方向に変位し、例えば、マンドレルの回転軸方向に沿ってマンドレルの所定範囲(全域も含む)にフィラメントが巻き付けられる。
一方で、下記特許文献1に示されるフィラメントワインディング装置では、DCサーボモータの駆動力によりマンドレル(特許文献1では巻取り型と称している)が回転すると共に、この回転軸方向に往復移動できる構成となっている。このように、特許文献1に示されるフィラメントワインディング装置は、マンドレルが回転しつつその回転軸方向に往復移動して巻取位置を回転軸方向に変位させる構成とすることで、フィラメント(特許文献1では繊維と称している)を左右(すなわち、マンドレルの回転軸方向)に曲げることなくマンドレルに巻き取らせることができる。
特開平8−72156号公報
ところで、上記のようなフィラメントワインディング装置における生産効率を向上させるための一手段としては、マンドレルの回転速度、すなわち、フィラメントの巻付速度の向上がある。フィラメントの巻付速度を向上させることで、巻付開始から終了までの時間を短縮でき、ひいては生産効率が向上する。
しかしながら、給糸口がマンドレルの回転軸方向に移動する通常のフィラメントワインディング装置では、フィラメントの巻付速度を向上させことで給糸口の往復移動速度も向上させなくてはならない。このため、給糸口の加速、減速が大きくなり、これにより、フィラメントの供給部であるクリールと給糸口との間でフィラメントが大きく振られる。
このようにフィラメントが大きく振られることで、フィラメントに捻りや捩じりが生じ、これに起因してフィラメントに毛羽立ちが生じたり、フィラメントにおける不用意な張力の変動が生じて成形品質の低下が生じる可能性がある。
また、生産効率を向上させるための他の手段としては、クリールから給糸口までの各構成(以下、クリールから給糸口までの構成を便宜上、「フィラメント供給構造」と称する)を複数組設け、一度に複数本のフィラメントをマンドレルに巻き付けることが考えられる。このように、一度に複数本のフィラメントをマンドレルに巻き付ける構造とすることで、単純に考えればマンドレルを1回転させれば、複数本のフィラメントが同時にマンドレルに巻き付けられるわけである。
このため、1回転で1本のフィラメントをマンドレルに巻き付ける構成に比べて、フィラメントの本数で割った回数(すなわち、フィラメントの本数をnとすると、1/n回)だけマンドレルを回転させればよいことになる。したがって、巻付開始から終了までの時間を短縮でき、ひいては生産効率が向上する。
しかしながら、このような構造の場合では、複数組のフィラメント供給構造が必要であるが故にこれらのフィラメント供給構造の配置に様々な問題が生じる。
すなわち、フィラメント供給構造の配置態様として先ず考えられるのは、各フィラメント供給構造をマンドレルの周囲に配置する構成である。しかしながら、このような構成とした場合には、マンドレルを支持する支持部に対してマンドレルを着脱するにあたって、フィラメント供給構造が干渉してしまい、マンドレルの着脱が極めて困難になる。
また、フィラメント供給構造をマンドレルの回転半径方向や回転軸方向に沿って並べて配置する態様も考えられる。しかしながら、このような構造の場合、装置全体が大型化してしまう。また、回転軸方向に沿って並べて配置する構造では、クリールから給糸口までのフィラメントの長さや、給糸口からマンドレルにおける巻付位置までのフィラメントの長さが、フィラメント供給構造毎に異なってしまうため、フィラメントの張力等にばらつきが生じる可能性がある。
さらに、生産効率を向上させるための他の手段としては、マンドレルを支持する支持部を複数組設けると共に、これらの支持部の各々に対応して上記のフィラメント供給構造を設ける構成も考えられる。
この構造の場合には、1回のフィラメントの巻付開始から終了までに、複数組のマンドレルにフィラメントの巻き付けを行なえる。したがって、マンドレルに対するフィラメントの巻付時間をマンドレルの数で割った1組当たりの巻付時間を短くでき、これにより、生産性を向上できる。
この構造の場合には、1組のマンドレルに対して1組のフィラメント供給構造しかない。このため、1組のマンドレルに対して複数組のフィラメント供給構造を設けた場合の問題点の1つであるフィラメント供給構造の干渉によるマンドレルの着脱性の悪化が生じ難い。
また、この構造の場合には、マンドレルの回転速度を向上させなくても生産性を向上できる。このため、マンドレルの回転速度を向上させることに伴う問題が生じ難い。
しかしながら、マンドレルを支持する支持部や、上記のフィラメント供給構造を複数組設け、更には、これらを並べて配置するため、装置の大型化が生じる。しかも、マンドレルを支持する支持部や、上記のフィラメント供給構造を複数組並べて配置する構造とすることで、大型のマンドレルを用いることが可能な装置は更に大型化してしまい、現実的ではない。
本発明は、上記事実を考慮して、型材を着脱する際の作業性を損なわずに長尺材料の巻付時間を短縮でき、しかも、装置の大型化を抑制できるフィラメントワインディング装置を得ることが目的である。
請求項1に記載の本発明に係るフィラメントワインディング装置は、支持部に支持された型材を所定の方向に回転させ、未硬化状態の合成樹脂材が含浸された可撓性を有する長尺材料を前記型材の周囲に巻き付けるフィラメントワインディング装置であって、複数の供給部から引き出された複数の前記長尺材料に対応して前記型材の周囲に複数配置され、対応する前記長尺材料が通過する複数のガイド手段を備えると共に、前記複数のガイド手段が前記長尺材料を前記型材に対する巻付位置に案内可能な巻付稼動範囲から前記型材及び前記支持部に対して前記複数のガイド手段が相対的に前記回転の軸方向に離間する着脱可能位置まで前記支持部及び前記複数のガイド手段の少なくとも何れか一方を前記回転の軸方向に移動可能とした、ことを特徴としている。
請求項1に記載の本発明に係るフィラメントワインディング装置によれば、クリールスタンド等、長尺材料を先端側から引き出し可能に収容した1乃至複数の収容部から引き出された複数本の長尺材料は、未硬化状態(すなわち、液状やゲル状等)の合成樹脂材が塗布されて含浸される。さらに、複数本の長尺材料は、各々に対応して型材の周囲に設けられたガイド手段により型材の巻付位置に案内され、各々が型材に巻き掛けられる。この状態で、モータ等の駆動力により型材を所定の軸周りに回転させると、型材の周囲に各長尺材料が巻き付けられる。
各長尺材料は型材の回転で先端側から型材に巻き付けられることにより、張力が付与されて先端側に引っ張られる。このように引っ張られた各長尺材料は、上記の収容部から後続(すなわち、基端側)が順次引き出され、合成樹脂材が塗布されて型材に巻き付けられる。
また、本フィラメントワインディング装置では、上記のように型材を回転させつつ、支持部及び複数のガイド手段の少なくとも何れか一方が型材の回転の軸方向(以下、この方向を単に「回転軸方向」と称する)に沿って巻付稼動範囲を適宜に変位する。この変位により、型材に対する各長尺材料の巻付位置が変わる。これにより、各長尺材料が型材に対して予め想定していた形状に巻き付けられて成形される。
一方、上記のように、型材に対する各長尺材料の巻付作業時においては、支持部及び複数のガイド手段の少なくとも何れか一方が巻付稼動範囲内で変位していたが、型材に対する各長尺材料の巻き付けが終了すると、上記の少なくとも何れか一方が、回転軸方向に沿って巻付稼動範囲から着脱可能位置まで変位し、型材及び支持部に対して複数のガイド手段が相対的に回転軸方向に離間する。
この状態で支持部から型材が取り外され、長尺材料が巻き付けられた型材に対して合成樹脂材の硬化処理が施される。これにより、繊維強化樹脂成形品(上記の長尺材料がガラス繊維であれば、ガラス繊維強化プラスチック)が形成される。
ここで、本発明に係るフィラメントワインディング装置では、複数の長尺材料が各々に対応して型材の周囲に設けられた複数のガイド手段に案内され、各々の長尺材料が型材に巻き付けられる。このため、1本の長尺材料を型材に巻き付けて成形する構成に比べると、各段に巻付作業の作業時間を短縮でき、極めて高い生産性を得ることができる。
また、本フィラメントワインディング装置では、型材の周囲に複数のガイド手段が設けられている構成であるが、各長尺材料の巻付作業が終了すると、型材及び支持部に対して複数のガイド手段が相対的に回転軸方向に離間するため、支持部から長尺材料が巻き付けられた型材を取り外す際に、複数のガイド手段やガイド手段に付随して設けられている装置や部材が取外作業時に干渉することがない。このため、支持部からの型材の取外作業及び支持部への型材の装着作業の作業性を飛躍的に向上できる。
さらに、換言すれば、型材を支持部から取り外す際には、ガイド手段からの干渉を受けない位置まで支持部並びに型材が移動するため、型材に各長尺材料を巻き付ける際の支持部及び型材の巻付位置に対して、複数のガイド手段を近接配置できる。これにより、装置全体の小型化を図ることができ、装置の設置スペースの効率化を図ることができる。
なお、本発明においては、上記のように、支持部及び複数のガイド手段の少なくとも何れか一方が、回転軸方向に変位可能な構成であればよい。すなわち、駆動力等が付与されて回転軸方向に移動するのは、支持部であってもよいし、複数のガイド手段であってもよい。また、支持部及び複数のガイド手段の双方であってもよい。
なお、本発明において、長尺材料は繊維状の部材(繊維部材)でもよいし、繊維部材を撚り合わせて形成した紐状部材でもよい。さらには、長尺のテープ状(帯状)やシート状の部材でもよい。
請求項2に記載の本発明に係るフィラメントワインディング装置は、請求項1に記載の本発明において、前記複数のガイド手段の各々を、前記回転の軸方向に独立して移動可能とした、ことを特徴としている。
請求項2に記載の本発明に係るフィラメントワインディング装置では、複数のガイド手段がそれぞれ独立して回転軸方向に移動可能であるため、巻付作業開始前や巻付作業時に回転軸方向に沿った巻付位置を長尺材料毎に変えることも可能であるし、一致させることも可能である。これにより、本発明に係るフィラメントワインディング装置では、複数の長尺材料を略同軸に型材に巻き付けるて成形する構成であるにも拘わらず、型材に対する長尺材料の様々な巻付態様に対応できる。
請求項3に記載の本発明に係るフィラメントワインディング装置は、請求項1又は請求項2に記載の本発明において、前記長尺材料を前記型材の周囲に巻き付けている際に、前記支持部が前記巻付稼動範囲内で前記回転の軸方向に移動する、ことを特徴としている。
請求項3に記載の本発明に係るフィラメントワインディング装置によれば、型材を回転させて長尺材料を型材の周囲に巻き付けている際に、支持部が巻付稼動範囲内で回転軸方向に移動する。したがって、この状態で複数のガイド手段が回転軸方向に移動しなければ、長尺材料の供給部から型材までの間における長尺材料の移動軌跡が基本的に変化しない。
このため、型材への長尺材料の巻き付け時に、長尺材料の捻りや捩じり、毛羽立ち、更には、供給部と型材との間における長尺材料の不用意な張力変動といった不具合が生じない(又は、生じ難い)。これにより、成形品質の効果的な向上を図ることができる。
しかも、このような不具合は、型材への長尺材料の送り移動速度(換言すれば、型材の回転速度)が高速であるほど生じ易いが、本発明に係るフィラメントワインディング装置では、そもそもこのような不具合が生じない(又は、生じ難い)。このため、上記の送り移動速度を高速化しても、成形品質を維持できる。このように、送り移動速度の高速化が可能になることによっても生産速度(生産効率)を向上させることができる。
請求項4に記載の本発明に係るフィラメントワインディング装置は、請求項3に記載の本発明において、前記回転の軸方向への前記支持部の移動に連動して、前記支持部とは反対方向に前記複数のガイド手段が移動する、ことを特徴としている。
請求項4に記載の本発明に係るフィラメントワインディング装置によれば、型材を回転させて長尺材料を型材の周囲に巻き付けている際に、支持部が巻付稼動範囲内で回転軸方向の一方に移動すると、この支持部の移動に連動して各ガイド手段が支持部の移動方向とは反対の。回転軸方向の他方に移動する。
したがって、支持部のみを移動させた場合の移動ストロークを本発明に係るフィラメントワインディング装置で得るのであれば、支持部の移動ストロークを複数のガイド手段の移動ストローク分だけ短くできる。支持部の移動速度が同じであれば、移動ストロークを短くできることで、移動時間を短縮できる。これにより、巻付作業の時間を短縮でき、作業効率を飛躍的に向上できる。
一方、複数のガイド手段のみを移動させた場合の移動ストロークを本発明に係るフィラメントワインディング装置で得るのであれば、支持部の移動ストローク分だけ複数のガイド手段の移動ストローク分を短くできる。このため、長尺材料の供給部から型材までの間における長尺材料の移動軌跡の変化を小さくできる。
このため、型材への長尺材料の巻き付け時に、長尺材料の捻りや捩じり、毛羽立ち、更には、供給部と型材との間における長尺材料の不用意な張力変動といった不具合の発生を軽減でき、これにより、成形品質の効果的な向上を図ることができる。
しかも、このような不具合は、型材への長尺材料の送り移動速度(換言すれば、型材の回転速度)が高速であるほど生じ易いが、本発明に係るフィラメントワインディング装置では、このような不具合が軽減される。このため、上記の送り移動速度を高速化しても、成形品質を維持できる。このように、送り移動速度の高速化が可能になることによっても生産速度(生産効率)を向上できる。
請求項5に記載の本発明に係るフィラメントワインディング装置は、請求項1乃至請求項4に記載の本発明において、前記回転の軸心を中心として、前記複数のガイド手段を略同心円周上に設けた、ことを特徴としている。
請求項5に記載の本発明に係るフィラメントワインディング装置によれば、複数のガイド手段が、型材の回転の軸心を中心とする略同心円周上に設けられているため、型材から各ガイド手段までの距離が比較的均一になる。これにより、型材が回転した際に各長尺材料に付与される張力のばらつきを小さくでき、成形性等を向上できる。
以上、説明したように、請求項1に記載の本発明に係るフィラメントワインディング装置によれば、装置の大型化を抑制しつつも、支持部からの型材の取外作業及び支持部への型材の装着作業の作業性を飛躍的に向上できる。
また、請求項2に記載の本発明に係るフィラメントワインディング装置では、型材に対する長尺材料の様々な巻付態様に対応できる。
さらに、請求項3に記載の本発明に係るフィラメントワインディング装置では、成形品質の効果的な向上並びに生産効率の向上を図ることができる。
また、請求項4に記載の本発明に係るフィラメントワインディング装置では、更なる生産効率の向上を図ることができる。
さらに、請求項5に記載の本発明に係るフィラメントワインディング装置によれば、型材が回転した際に各長尺材料に付与される張力のばらつきを小さくでき、成形性等を向上できる。
<第1の実施の形態の構成>
図1には本発明の第1の実施の形態に係るフィラメントワインディング装置10の構成の概略が斜視図により示されており、図2には本フィラメントワインディング装置10の構成の概略が平面図により示されている。また、図3には本フィラメントワインディング装置10の構成の概略が正面図により示されている。
(マンドレル駆動機構12の構成)
図1に示されるように、本フィラメントワインディング装置10は、型材スライド機構及び型材回転機構としてのマンドレル駆動機構12を備えている。マンドレル駆動機構12は、型材スライド機構を構成するトラバースベース14を備えている。
トラバースベース14は全体的に矩形平板状に形成されている。トラバースベース14の上面における幅方向中間部には略矩形の開口部16が形成されている。開口部16はトラバースベース14の長手方向に沿って長手の略スリット状に形成されており、トラバースベース14の内外を連通している。
図4に示されるように、トラバースベース14の内側には、型材スライド機構の型材スライド駆動手段を構成するボールねじ18が配置されている。ボールねじ18はトラバースベース14の長手方向に沿って長手とされており、その長手方向両端がトラバースベース14に支持体20に自らの軸心周りに回転自在に軸支されている。このボールねじ18の長手方向(軸方向)一端側にはボールねじ18と共に型材スライド駆動手段を構成する減速機構22が設けられている。
減速機構22はギヤ24を備えており、ギヤ24とボールねじ18とが同軸的且つ一体的に連結されている。ギヤ24にはギヤ26が噛み合っている。さらに、ギヤ26にはボールねじ18及び減速機構22と共に型材スライド駆動手段を構成する駆動源としてのモータ28の出力軸30に機械的に連結されており、モータ28が正転駆動した際の駆動力で出力軸が回転すると、この回転力がボールねじ18に伝わり、ボールねじ18が自らの軸心周りに正転回転し、モータ28が逆転駆動すれば正転回転とは反対にボールねじ18が逆転回転する。
一方、図5のブロック図に示されるように、上記のモータ28はドライバ32を介して制御手段としての制御装置34の制御部36及び電源38に接続されている。制御部36は操作パネル40に接続されており、操作パネル40からの操作信号に基づいてドライバ32を制御し、電源38からモータ28に流れる電流を制御している。
なお、上記の型材スライド駆動手段の構成に関して補足すると、本実施の形態ではモータ28の駆動力を減速機構22にて減速してボールねじ18に伝える構成であったが、減速機構22を設けずにモータ28をボールねじ18に直接連結してもよい。また、本実施の形態では、説明を簡潔にするためギヤ24、26により減速機構22を構成したが、減速機構22は、更に多くのギヤが互いに噛み合ったギヤ列にて構成してよいのは勿論のこと、ギヤの態様も平歯車の他にウオームギヤ及びウオームホイールや傘歯車等の様々なギヤを用いてもよい。
さらに、減速機構22は、モータ28の駆動力をボールねじ18に伝えるための駆動力伝達手段として把握することができるが、駆動力伝達手段がギヤ24、26等のギヤ列に限定されるものではなく、ベルト伝導やチェーン伝導等でモータ28の駆動力をボールねじ18に伝える構成であってもよい。なお、上記の補足説明は以下、「補足説明1」と称する。
また、図1に示されるように、トラバースベース14の上面には、型材スライドガイド手段として型材スライド機構を構成する一対のガイドレール42が設けられている。ガイドレール42はトラバースベース14の長手方向に沿って長手とされており、トラバースベース14の幅方向に沿って互いに対向するように平行に設けられている。
さらに、トラバースベース14上には型材スライド機構を構成するスライドベース44が設けられている。スライドベース44は略平板状又は略ブロック状に形成されている。
スライドベース44の下面には、ガイドレール42と共に型材スライドガイド手段を構成する一対のガイド溝46が上記の一対のガイドレール42に対応して形成されている。これらのガイド溝46は、スライドベース44の下端面における開口幅寸法がガイドレール42の幅寸法よりも僅かに大きく形成されている。
また、スライドベース44の長手方向両端面(トラバースベース14の長手方向に沿ったスライドベース44の両端面)にて開口しており、各ガイド溝46に対応するガイドレール42が嵌まり込んだ状態でスライドベース44がトラバースベース14上に載置されている。このため、少なくともトラバースベース14の幅方向へのスライドベース44の移動は規制されており、基本的にはスライドベース44の移動方向がトラバースベース14の長手方向に制限されている。
なお、上記の型材スライドガイド手段の構成に関して補足すると、本実施の形態では単純にガイド溝46にガイドレール42に入り込む構成とすることで、スライドベース44の移動方向を規制する構造とした。これに加え、ガイドレール42及びガイド溝46の内壁の何れか一方に転動体としてのローラを設け、スライドベース44がガイドレール42に案内されて移動する際には、ガイドレール42及びガイド溝46の内壁の何れか他方に対して、ローラの外周部が接した状態でローラが転動する構成としてもよい。なお、上記の補足説明は以下、「補足説明2」と称する。
また、図4に示されるように、スライドベース44の下面には一対のスライダ47が設けられている。これらのスライダ47は、板状又はブロック状に形成されており、トラバースベース14の長手方向に沿って互いに対向している。さらに、これらのスライダ47にはトラバースベース14の長手方向に沿って貫通した雌ねじが形成されており、これらの雌ねじをボールねじ18が螺合した状態で貫通配置されている。
これにより、ボールねじ18が自らの軸心周りに回転するとスライダ47、ひいてはスライドベース44がボールねじ18の回転量に応じてボールねじ18の軸方向にスライドする。
一方、図1に示されるように、スライドベース44上には支持部としての一対の支持壁48が設けられている。これらの支持壁48は、スライドベース44の長手方向両端側でスライドベース44の長手方向に沿って互いに対向するように配置されている。これらの支持壁48の各々には軸受孔52が互いに同軸的に形成されている。
さらに、これらの支持壁48の間には型材としてのマンドレル50が配置されている。マンドレル50の上記の軸受孔52と対向する部分には軸部54が設けられている。各軸部54は支持壁48側へ突出して対応する軸受孔52に入り込み、軸受孔52に回転自在に軸支されている。
さらに、一方の軸部54は軸受孔52を貫通して支持壁48を介してマンドレル50とは反対側に突出している。この一方の軸部54の先端には、型材回転駆動手段として型材回転機構を構成するモータ56が設けられている。このモータ56の出力軸に一方の軸部54が直接又は上記の減速機構22のような減速手段や駆動力伝達手段等を介して間接的に連結されている(本実施の形態では、直接連結している)。
上記のモータ56は、ドライバ58を介して制御部36及び電源38に接続されており、モータ28と同様に制御部36によりモータ56の通電制御がなされている。
(給糸機構60の構成)
一方、図1に示されるように、上記のトラバースベース14の幅方向側方には、複数(本実施の形態では4組)の給糸機構60、62、64、66が設けられている。なお、これらの給糸機構60〜66に関しては、配置形態を除いては基本的に同一の構成であるため、給糸機構60の構成のみを説明して給糸機構62〜66の構成に関してはその詳細な説明を省略する。
給糸機構60はクリールスタンド68を備えている。クリールスタンド68は複数(本実施の形態では4本)の巻取軸70が設けられたクリールベース72を備えている。各巻取軸70の外周部には、長尺材料の一態様である繊維材料又は紐状材料としてのフィラメント74が巻取状態で収納されている。
フィラメント74はガラスを長繊維状に溶融紡糸した所謂ガラス繊維により形成されている(なお、ガラス繊維を更に撚り合わせて紐状にしてもよい)。フィラメント74はその長手方向基端側から巻取軸70に巻き取られていると共に、その長手方先端側は巻取軸70から上記の概ねトラバースベース14の幅方向に沿ってトラバースベース14へ接近する方向へ引き出されている。
また、クリールスタンド68には塗布部76が設けられており、巻取軸70から引き出されたフィラメント74が塗布部76を通過している。塗布部76の内側には未硬化状態(すなわち、液状)の熱硬化性の合成樹脂材を貯留した塗布槽や、このような塗布槽に外周一部が浸漬状態で回転自在に設けられた塗布ローラ等が設けられている。塗布部76を通過するフィラメント74は、塗布槽内を通過し、又は、塗布ローラの外周部を摺接することで合成樹脂材が塗布され含浸される。
また、塗布部76内には、予熱装置や張力調整装置が設けられている。予熱装置は塗布槽よりもフィラメント74の長手方向に沿って基端側(すなわち、塗布部76への入口側)に設けられている。予熱部はヒータを有しており、塗布槽や塗布ローラへ向かうフィラメント74に対して予め適度な熱を付与する。
一方、張力調整装置は、塗布槽よりもフィラメント74の長手方向に沿って基端側又は先端側(すなわち、塗布部76への出口側)に設けられている。張力調整装置は、例えば、モータ等の駆動手段の駆動力により正逆に回転可能な駆動ローラ等を備えている。
このような駆動ローラを有する構成の場合、フィラメント74は駆動ローラに掛け回されており、上記のマンドレル50の回転とは独立した駆動ローラの回転力がフィラメント74に付与されることで、マンドレル50と駆動ローラと間でフィラメント74の張力を自在に調整できる構成となっている。
一方、給糸機構60はトラバース機構80を備えている。トラバース機構80は、マンドレル駆動機構12の型材スライド機構におけるトラバースベース14、ボールねじ18、モータ28、スライドベース44等の各構成に対応するトラバースベース82、ボールねじ84、モータ86、スライドベース88等を備えている。すなわち、トラバース機構80は上述したマンドレル駆動機構12の型材スライド機構と基本的に同じ構成であり、スライドベース88がモータ86の駆動力によりトラバースベース82の長手方向(トラバースベース82はトラバースベース14と平行であるため、結果的にはトラバースベース14の長手方向)にスライドする。
このように、トラバース機構80はマンドレル駆動機構12の型材スライド機構と基本的に同じ構成であるため、その構造に関する詳細な説明は省略する。また、トラバース機構80はマンドレル駆動機構12の型材スライド機構と基本的に同じ構成であるため、上記の補足事項1及び補足事項2がトラバース機構80に対しても適用できることは言うまでもない。
また、トラバース機構80のスライドベース88からは連結片90が延出されている。連結片90は、その長手方向中間部にて略「く」字形状に屈曲しており、この屈曲部分よりも先端側は、マンドレル50の回転軸心を中心とした円に対する接線方向が長手方向とされている。
連結片90の先端部には、ガイド手段としてのガイド機構92が設けられている。図6に示されるように、ガイド機構92は、ガイドリング94を備えている。ガイドリング94は、所定形状(本実施の形態では略矩形)の環状に形成されており、その一側面で連結片90の先端が一体的に連結されている。
ガイドリング94にはロッド96が摺動自在に貫通していると共に、図示しないストッパによりガイドリング94に固定されている。ロッド96の先端にはギヤボックス98が一体的に設けられている。
図6に示されるように、ギヤボックス98の内部には、ガイド回転駆動手段としてガイド回転駆動機構を構成するモータ100が設けられている。モータ100の出力軸102の先端には、駆動力伝達手段又は減速手段としてガイド回転駆動機構のギヤ列を構成するギヤ104が同軸的且つ一体的に連結されている。
このギヤ104にはギヤ104よりも大径のギヤ106が噛み合っている。ギヤ106の軸心からは回動シャフト108が延出されており、ギヤボックス98を貫通している。回動シャフト108のガイド部としての給糸口110が一体的に連結されている。
給糸口110は略リング状とされており、その開口方向は回動シャフト108の軸心から延長されて給糸口110の中心を通る仮想線を軸とする半径方向とされており、マンドレル50の軸方向に見た場合には、概ねマンドレル50の回転軸心を中心とした円に対する接線方向とされている。上記のように、回動シャフト108はギヤ104、106を介してモータ100に機械的に連結されているため、モータ100の駆動力によって回動シャフト108が回動すると、給糸口110が回動シャフト108と一体に回動して、その開口方向を変える。
マンドレル50の回転軸線を中心とする仮想円の給糸口110を通過する接線に沿って、給糸口110を介してマンドレル50とは反対側にはローラ112が配置されている。ローラ112には塗布部76を通過したフィラメント74が掛け回されており、ローラ112を掛け回されたフィラメント74は、給糸口110を通過してマンドレル50に掛け回されている。
さらに、給糸機構60〜66の給糸口110は、概ねマンドレル50の回転軸心を中心とした同一の仮想円周上に位置するように設けられている。
また、図5に示されるように、給糸機構60〜66の各モータ86は、各々に対応して設けられたドライバ114を介して制御部36及び電源38に接続されており、制御部36からの制御信号に基づき各ドライバ114が対応するモータ86に流す電流を制御している。このため、各給糸機構60〜66のスライドベース88は、それぞれ独立してトラバースベース82の長手方向(すなわち、トラバースベース14の長手方向であって、マンドレル50の回転軸方向)にスライドする。
また、トラバースベース14及びガイドレール42の長手寸法やトラバースベース82及びトラバースベース82の長手寸法、更には、トラバースベース14の長手方向に沿ったトラバースベース82の位置は、スライドベース44がトラバースベース14の長手方向一端側に最もスライドして、スライドベース88がトラバースベース82の長手方向他端側(トラバースベース14の長手方向他端側)に最もスライドした状態で、少なくとも、トラバースベース14の長手方向他端側におけるマンドレル50の端部(すなわち、この状態でマンドレル50のスライドベース88に最も近くなる側の端部)が、スライドベース88よりもトラバースベース14の長手方向一端側に位置するように設定されている。
さらに、給糸機構60〜66の各モータ100もまた各々に対応して設けられたドライバ116を介して制御部36及び電源38に接続されており、制御部36からの制御信号に基づき各ドライバ116が対応するモータ100に流す電流を制御している。このため、各給糸機構60〜66の給糸口110は、それぞれ独立して回動し、その開口方向を変える。
<第1実施の形態の作用、効果>
次に、本実施の形態の作用並びに効果について、マンドレル50に対するフィラメント74の巻付パターン毎に説明する。
(第1パターン)
第1パターンは、フープ巻きと称される巻付パターンである。上記の両支持壁48の間で軸部54にマンドレル50を取り付け、この状態で、例えば、操作パネル40等で第1パターンを選択操作すると、操作パネル40からの操作信号に基づいて制御部36は給糸機構60〜66の各ドライバ114を制御する。制御部36に制御された各ドライバ114は、対応するモータ86に所定時間電流を流し、モータ86を駆動させる。
給糸機構60〜66の各モータ86が駆動することで、各ボールねじ84が回転し、これにより、トラバースベース82上をガイド機構92がスライドする。これにより、図7の(A)に示されるように、マンドレル50の回転軸方向に沿ってマンドレル50におけるフィラメント74の巻付範囲の一端に給糸機構60のガイド機構92が位置する。
さらに、上記の軸方向に沿った巻付範囲の約1/4のストローク分だけ、給糸機構60のガイド機構92の直下に位置する給糸機構66のガイド機構92が、給糸機構60のガイド機構92に対してマンドレル50の軸方向他端側に位置する。同様に、給糸機構62のガイド機構92が給糸機構66のガイド機構92に対して上記の軸方向に沿った巻付範囲の約1/4のストローク分だけマンドレル50の軸方向他端側に位置し、更に、給糸機構62のガイド機構92の直下に位置する給糸機構64のガイド機構92が給糸機構62のガイド機構92に対して上記の軸方向に沿った巻付範囲の約1/4のストローク分だけマンドレル50の軸方向他端側に位置する。
このように、各給糸機構60〜66のガイド機構92がセットされた状態で、各給糸機構60〜66のクリールスタンド68の巻取軸70から引き出されたフィラメント74の先端がマンドレル50の外周部に掛けまわされる。この状態で、制御部36によりドライバ58が制御されてモータ56が通電される。
これにより、モータ56が駆動すると上記の軸部54が回転し、ひいてはマンドレル50が軸部54周りに回転する。マンドレル50が軸部54周りに回転すると、各フィラメント74が先端側から順次マンドレル50の外周部に巻き付けられる。
さらに、このようにマンドレル50を軸部54周りに回転させて各フィラメント74をマンドレル50の外周部に巻き付けつつ、制御部36によりドライバ32が制御されて、モータ28が通電される。モータ28が通電されて駆動するとボールねじ18が回転し、トラバースベース14上をマンドレル50がその軸方向一端側へスライドする。
このように、マンドレル50の回転状態でトラバースベース14上をマンドレル50がスライドすることにより、図7の(B)に示されるように、マンドレル50の外周部における各給糸機構60〜66のフィラメント74の巻付位置がマンドレル50の軸方向他端側に変位する。これにより、マンドレル50の外周部では、マンドレル50の回転開始時における巻付位置から現在の巻付位置までの間でフィラメント74が巻き付けられる。
さらに、図7の(C)に示されるように、マンドレル50の回転軸方向に沿った巻付範囲の約1/4だけマンドレル50がその軸方向一端側へスライドすると、給糸機構60のフィラメント74の巻付位置が、マンドレル50の回転開始時における給糸機構66のフィラメント74の巻付位置に到達する。同様に、この状態では、給糸機構66のフィラメント74の巻付位置が、マンドレル50の回転開始時における給糸機構62のフィラメント74の巻付位置に到達し、給糸機構62のフィラメント74の巻付位置が、マンドレル50の回転開始時における給糸機構64のフィラメント74の巻付位置に到達する。
さらに、給糸機構64のガイド機構92は、マンドレル50の回転開始時からマンドレル50の回転軸方向に沿ってその巻付範囲の略1/4だけマンドレル50の対して相対変位することで、巻付範囲の軸方向他端部に到達する。これにより、マンドレル50の巻付範囲の全域にフィラメント74が巻き付けられる。
ここで、本フィラメントワインディング装置10では、第1パターンであるフープ巻きを行なうにあたり、マンドレル50をその回転軸方向にスライドさせてフィラメント74の巻付位置を変化させている。このため、フィラメント74の巻付位置を変化させる際に、巻付位置よりも長手方向基端側でフィラメント74がマンドレル50の軸方向に移動することがない(すなわち、フィラメント74がマンドレル50の軸方向に振られない)。
これにより、フィラメント74が振られることに起因するフィラメント74の捻りや捩じり、更には、フィラメント74に毛羽立ちの発生を防止又は極めて効果的に軽減でき、その結果、フィラメント74に塗布された合成樹脂材を硬化させた際の成形品質の低下を向上できる。
また、仮に、給糸機構60だけでマンドレル50にフィラメント74を巻き付けようとすると、マンドレル50をその軸方向に沿ったフィラメント74の巻付範囲の全域に相当するストロークだけ、マンドレル50を軸方向一端側へスライドさせなくてはならない。
これに対して、本フィラメントワインディング装置10では上記の巻付範囲全域に相当するストロークの約1/4だけマンドレル50を軸方向一端側へスライドさせることで、フィラメント74の巻き付けを終了させることができる。これにより、フィラメント74の巻付開始から終了までの時間を約1/4に短縮できる。これにより、単純に考えれば生産性を約4倍にまで向上させることができる。
次いで、このようにして、フィラメント74の巻き付けが終了すると、制御部36によりドライバ32が制御されて、モータ28が通電される。モータ28が通電されて駆動するとボールねじ18が回転し、トラバースベース14上をマンドレル50がその軸方向他端側へスライドする。これにより、図8に示されるように、マンドレル50の軸方向一端側における支持壁48が、各給糸機構60〜66のトラバースベース82よりもトラバースベース14の他端側に移動する。
この状態では、マンドレル50の回転半径方向側方にトラバースベース82や各給糸機構60〜66のガイド機構92が位置しない。したがって、軸部54からマンドレル50を取り外す際にトラバースベース82やガイド機構92が障害になることはなく、軸部54からマンドレル50を容易に取り外すことができる。なお、この点に関しては、マンドレル50を軸部54に装着する際も同様である。
(第2パターン)
第2パターンは、ヘリカル巻きと称される巻付パターンである。この第2パターンにおいても、上記の両支持壁48の間で軸部54にマンドレル50が取り付けられる。
この状態で、例えば、操作パネル40等で第2パターンを選択操作すると、操作パネル40からの操作信号に基づいて制御部36は給糸機構60〜66の各ドライバ114を制御する。制御部36に制御された各ドライバ114は、対応するモータ86に所定時間電流を流し、モータ86を駆動させる。給糸機構60〜66の各モータ86が駆動することで、各ボールねじ84が回転し、これにより、トラバースベース82上をガイド機構92がスライドする。
これにより、図9の(C)に示されるように、マンドレル50の回転軸方向に沿ってマンドレル50におけるフィラメント74の巻付範囲の他端に各給糸機構60〜66(図9では、構造上、給糸機構60、62の直下に給糸機構64、66が位置するため、給糸機構64、66に関しては、図示を省略する)のガイド機構92が位置する。
このように、各給糸機構60〜66のガイド機構92がセットされると、各給糸機構60〜66のクリールスタンド68の巻取軸70から引き出されたフィラメント74の各先端が、マンドレル50の軸周りに90度(360度の4等分)だけ互いに位相がずれた状態でマンドレル50の外周部に掛けまわされる。この状態で、制御部36によりドライバ32、58が制御されてモータ28、56が通電される。
これにより、モータ28、56が駆動すると、上記の軸部54が回転し、ひいてはマンドレル50が軸部54周りに回転すると共に、モータ28の駆動力によりボールねじ18が回転し、トラバースベース14上をマンドレル50がその軸方向他端側へスライドする。このように、マンドレル50の回転とトラバースベース14上でのマンドレル50のスライドとが連動することで、図9の(B)に示されるように、マンドレル50の軸方向他端側から一端側へかけてフィラメント74がマンドレル50の外周部に斜めに巻き付けられる。
さらに、トラバースベース14上でマンドレル50を往復移動させつつマンドレル50を回転させることで、マンドレル50の外周部におけるフィラメント74の巻付範囲全域にフィラメント74が巻き付けられる。
ここで、本フィラメントワインディング装置10では、第2パターンであるヘリカル巻きを行なうにあたり、マンドレル50をその回転軸方向にスライドさせてフィラメント74の巻付位置を変化させている。このため、フィラメント74の巻付位置を変化させる際に、巻付位置よりも長手方向基端側でフィラメント74がマンドレル50の軸方向に移動することがない(すなわち、フィラメント74がマンドレル50の軸方向に振られない)。
このため、フィラメント74が振られることに起因するフィラメント74の捻りや捩じり、更には、フィラメント74に毛羽立ちの発生を防止又は極めて効果的に軽減でき、その結果、フィラメント74に塗布された合成樹脂材を硬化させた際の成形品質の低下を向上できる。
また、仮に、給糸機構60だけでマンドレル50にフィラメント74を巻き付けようとすると、マンドレル50の外周部における巻付範囲全域にフィラメント74が巻き付けられるまで、マンドレル50を回転させ、且つ、マンドレル50を往復移動させなくてはならない。
これに対して、本フィラメントワインディング装置10では、各給糸機構60〜66の巻取軸70から引き出されたフィラメント74の先端が、マンドレル50の軸周りに互いに90度位相がずれた状態で掛け回されている。このため、単純に考えれば、給糸機構60だけでマンドレル50にフィラメント74を巻き付ける場合に比べて単位時間当たりのフィラメント74の巻付量を約4倍に増加させることができる。
したがって、給糸機構60だけでマンドレル50にフィラメント74を巻き付ける場合と同じ速度でマンドレル50を回転させつつ往復移動させるのであれば、マンドレル50の回転回数やマンドレル50の往復移動回数を約1/4にまで低減させることができる。これにより、フィラメント74の巻付開始から終了までの時間を約1/4に短縮でき、単純に考えれば生産性を約4倍にまで向上させることができる。
次いで、このようにして、フィラメント74の巻き付けが終了した際には、第1パターンの場合と同様に、マンドレル50の軸方向一端側における支持壁48を、各給糸機構60〜66のトラバースベース82よりもトラバースベース14の他端側に移動させる。これにより、軸部54からマンドレル50を取り外す際にトラバースベース82やガイド機構92が障害になることはなく、軸部54からマンドレル50を容易に取り外すことができる。
(第3パターン)
第3パターンは、基本的に第2パターンと同様のヘリカル巻きと称される巻付パターンである。但し、図9の(C)に示されるように、この第3パターンは第2パターンとは異なり、モータ56の駆動力によるトラバースベース14上でのマンドレル50の往復移動ストロークD1が第2パターンの場合の往復移動ストロークD2の約半分となっている。
さらに、この第3パターンでは、図9の(C)に示されるように、制御部36により各ドライバ114が制御され、モータ86の駆動力によってボールねじ84が回転させられる。このボールねじ84の回転は、モータ28の駆動力によるボールねじ18の回転に連動しており、これにより、各給糸機構60〜66のガイド機構92は、マンドレル50の往復移動の移動方向とは反対方向に、マンドレル50と同じ速さで同じストロークD1だけトラバースベース82上を往復移動する。
さらに、制御部36によりドライバ116が制御され、このガイド機構92の往復移動に連動して、モータ100が適宜に駆動される。このモータ100の駆動力で、各給糸機構60〜66の給糸口110は、それぞれ独立して回動し、マンドレル50の軸方向に沿ったマンドレル50に対する各給糸機構60〜66の給糸口110の位置に応じてその開口方向が変化する。
ここで、この第3パターンにおけるマンドレル50の往復移動の速度が第2パターンにおけるマンドレル50の往復移動の速度と同じであれば、マンドレル50とは反対方向に同じ速さで同じストロークだけ各ガイド機構92が移動していることにより、第3パターンにおける各ガイド機構92とマンドレル50との相対速度は、第2パターンにおける相対速度の約2倍になる。このため、この第3パターンでマンドレル50の回転速度を第2パターンでの回転速度の約2倍にまで加速すると、第2パターンの約2倍の速さでフィラメント74の巻き付けを完了させることができる。
さらに、第2パターンとは異なり第3パターンでは、ガイド機構92がトラバースベース82上を往復移動する。しかしながら、単純にガイド機構92を往復移動させてヘリカル巻きを行なう構成に比べると、本フィラメントワインディング装置10では、第3パターンを行なう際にもマンドレル50が往復移動する。
このため、ガイド機構92の往復移動ストロークは、単純にガイド機構92を往復移動させてヘリカル巻きを行なう場合の約1/2でよい。このように、単純にガイド機構92を往復移動させてヘリカル巻きを行なう構成に比べると、本フィラメントワインディング装置10では、第3パターンを行なう際のガイド機構92の往復移動ストロークを少なくできる。このため、フィラメント74が振られることに起因するフィラメント74の捻りや捩じり、更には、フィラメント74に毛羽立ちの発生を効果的に軽減でき、その結果、フィラメント74に塗布された合成樹脂材を硬化させた際の成形品質の低下を向上できる。
<第2の実施の形態>
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、本第2の実施の形態を説明するにあたり、前記第1の実施の形態と実質的に同一の部位に関しては、同一の符号を付与してその説明を省略する。
図10には本実施の形態に係るフィラメントワインディング装置130の構成の概略が斜視図により示されており、図11には本フィラメントワインディング装置130の構成の概略が平面図により示されている。
これらの図に示されるように、本フィラメントワインディング装置130では、各給糸機構60〜66の給糸口110と、この給糸口110に対応した各給糸機構60〜66のクリールスタンド68との間に、変向手段としての変向プーリ132が設けられている。
本実施の形態では、給糸口110と変向プーリ132との間におけるフィラメント74の長手方向は、前記第1の実施の形態と同様に、マンドレル50の回転半径方向となっている。しかしながら、フィラメント74は、給糸口110とクリールスタンド68との間で変向プーリ132に掛けまわされることで、変向プーリ132よりも基端側、すなわち、クリールスタンド68から変向プーリ132まではフィラメント74の長手方向がトラバースベース14の長手方向(すなわち、マンドレル50の回転軸方向)と略同方向とされている。
このように、本フィラメントワインディング装置130では、変向プーリ132よりも基端側でフィラメント74の長手方向がトラバースベース14の長手方向にしているため、装置全体の幅寸法や高さ寸法(すなわち、マンドレル50の回転半径方向に沿った装置全体の寸法)を小さくでき、装置全体の小型化が可能となる。
本発明の第1の実施の形態に係るフィラメントワインディング装置の斜視図である。 本発明の第1の実施の形態に係るフィラメントワインディング装置の平面図である。 本発明の第1の実施の形態に係るフィラメントワインディング装置の正面図である。 トラバースベースの内側の構造の概略を示す断面図である。 本発明の第1の実施の形態に係るフィラメントワインディング装置の駆動系統の概略的な制御ブロック図である。 ガイド機構における駆動系統の概略的な制御ブロック図である。 第1パターン(フープ巻き)における装置の状態の概略を示す図で、(A)が巻付開始時を示し、(B)が巻付状態を示し、(C)が巻付終了時を示す。 型材を取り外す際の装置の状態の概略を示す図である。 第2パターン及び第3パターン(何れもヘリカル巻き)における装置の状態の概略を示す図で、(A)が巻付開始時を示し、(B)が第2パターンでの装置の状態を示し、(C)が第3パターンでの装置の状態を示す。 本発明の第2の実施の形態に係るフィラメントワインディング装置の斜視図である。 本発明の第2の実施の形態に係るフィラメントワインディング装置の平面図である。
符号の説明
10 フィラメントワインディング装置
48 支持壁(支持部)
50 マンドレル(型材)
74 フィラメント(長尺材料)
92 ガイド機構(ガイド手段)

Claims (5)

  1. 支持部に支持された型材を所定の方向に回転させ、未硬化状態の合成樹脂材が含浸された可撓性を有する長尺材料を前記型材の周囲に巻き付けるフィラメントワインディング装置であって、
    複数の供給部から引き出された複数の前記長尺材料に対応して前記型材の周囲に複数配置され、対応する前記長尺材料が通過する複数のガイド手段を備えると共に、
    前記複数のガイド手段が前記長尺材料を前記型材に対する巻付位置に案内可能な巻付稼動範囲から前記型材及び前記支持部に対して前記複数のガイド手段が相対的に前記回転の軸方向に離間する着脱可能位置まで前記支持部及び前記複数のガイド手段の少なくとも何れか一方を前記回転の軸方向に移動可能とした、
    ことを特徴とするフィラメントワインディング装置。
  2. 前記複数のガイド手段の各々を、前記回転の軸方向に独立して移動可能とした、
    ことを特徴とする請求項1に記載のフィラメントワインディング装置。
  3. 前記長尺材料を前記型材の周囲に巻き付けている際に、前記支持部が前記巻付稼動範囲内で前記回転の軸方向に移動する、
    ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のフィラメントワインディング装置。
  4. 前記回転の軸方向への前記支持部の移動に連動して、前記支持部とは反対方向に前記複数のガイド手段が移動する、
    ことを特徴とする請求項3に記載のフィラメントワインディング装置。
  5. 前記回転の軸心を中心として、前記複数のガイド手段を略同心円周上に設けた、
    ことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載のフィラメントワインディング装置。
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